一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器

摘要

本发明涉及一种光纤光栅传感器，尤其涉及一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器。包括：光纤光栅、光纤导线以及毛细钢管，其在于将所述光纤导线的光纤光栅置于内层毛细钢管中部，所述的内层毛细钢管外套装有中部设有缝隙的两段外层毛细钢管；该两段外层毛细钢管相对远离的一端均探出内层毛细钢管，但短于光纤导线，所述的两段外层毛细钢管的适配位置分别设有弧形支座。本发明光纤光栅大量程应变传感器结构简单，易于加工制造，安装方便，性能稳定、可靠，最大限度的满足长期在线实时监测预应力钢绞线应变变化，实现后期对缓粘结剂缓慢固化过程预应力变化情况的在线实时监测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感器，尤其涉及一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器，属于土木工程中的结构健康监测领域。

背景技术

目前，随着预应力结构在建筑结构中的不断应用，对各种高强钢绞线施工服役期间应力监测的研究也越来越深入。由于钢绞线的抗拉强度相对普通钢筋高很多，所以钢绞线在工作时的应力值非常大。在张拉过程中往往采用超张拉的方法来弥补钢绞线后期的应力损失。这就导致了钢绞线在张拉时的应变大于裸光纤光栅的极限断裂应变，所以，直接将裸光纤光栅粘贴在钢绞线的表面无法监测钢绞线的应力。

传统的索力监测技术主要有：磁通量法、频率法和基于测力环、钢弦、应变片等的检测方法，这些技术在斜拉索、体外索、吊索等索力的检测中得到了广泛的应用，由于技术特点的限制，这类技术还不能应用于体内预应力钢索的长期在线监测。相对于传统的监测技术光纤光栅具有抗电磁干扰、体积小、长期稳定性好等优点，这些优点使光纤光栅具有了对预应力钢绞线进行长期实时监测的可行性。目前很多学者利用光纤光栅传感技术在大量程应变测量方面已经取得了一定成果：天津大学刘铁根、江俊峰等人采用应变零点漂移的方法在预应力钢绞线张拉至5000微应变后再粘贴裸光纤光栅。这种方法克服了裸光纤光栅量程不足的缺点，但这种方法对制作工艺要求非常严格，受到现场工作条件的限制很难实现现场安装。金秀梅，杜彦良将裸光纤光栅呈螺旋状缠绕在预应力钢筋的表面，这种方法克服了裸光纤光栅量程小的缺陷，实现了对预应力筋的长期大应变测量，但这种测量手段对待测构件的截面形式要求比较苛刻，适合于表面光滑的预应力钢筋，无法实现对带肋钢筋以及钢绞线这类钢筋的应变测量。哈尔滨工业大学邓年春、欧进萍等人用FRP筋封装光纤光栅来实现对大应变预应力筋的监测，在制备FRP筋过程中, 在筋的中间位置且沿长度方向埋入光纤光栅, 制成FRP-OFBG筋，实现了对裸光纤光栅的有效保护。这种预应力筋将钢绞线的中丝替换成了材质不同的FRP-OFBG筋，由于FRP筋和钢绞丝的极限抗拉强度不同、弹性模量不同，这就导致在大应变应力状态下钢绞丝和FRP筋出现应力重分布的现象，在一定程度上降低了整条钢绞线的极限承载力。何俊、周智等研制了基片式和FRP封装式两种封装结构的灵敏度系数可调应变传感器，较大的提高了光纤光栅的应变测量量程。这类封装形式的光纤光栅传感器仍然无法实现对预应力钢绞线的应变监测。天津大学沈小燕、林玉池等提出了应用复合结构、悬臂梁结构、梯形结构及变梯形结构以实现大应变到小应变的传感转换。这种基于复合结构的光纤光栅大量程应变传感器其复合结构应变传递过于复杂，传感器性能稳定性受到诸多因素的影响。因此还是难以实现对预应力钢绞线的应变监测。由于预应力钢绞线特殊的施工安装方式，目前仍然无法将性能优越的光纤光栅传感器植入到预应力钢绞线里实现对其应变的在线实时监测。

预应力钢绞线在某些构件里呈曲线布设。针对后张拉法施工的预应力钢绞线在张拉时混凝土已经达到设计强度，钢绞线和混凝土之间没有粘结。而对缓粘结预应力钢绞线，在张拉时钢绞线和波纹套管之间的缓粘结剂未完成固化，仍然呈液体状态或是呈半液体半固体之间的可塑性状态。以上两种预应力钢绞线随着张拉过程的进行，钢绞线会发生变形伸长，同时伴随着扭转。如何保证传感器在同钢绞线一起伸长扭转的情况下不会受到外力破坏，是光纤光栅大量程应变传感器成活的关键所在。

发明内容

本发明就是针对上述问题提出来的，目的就是提供一种结构简单，易于加工制造，安装方便，大幅度提高光纤光栅大量程传感器的应变可测范围，这种光纤光栅传感器性能稳定、可靠；将这种光纤光栅传感器安装在钢绞线其中一股钢丝上，实现长期实时监测的一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器。

为了实现上述目的，本发明解决技术问题的技术方案是：

一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器，包括：光纤光栅、光纤导线以及毛细钢管，其在于将所述光纤导线的光纤光栅置于内层毛细钢管中部，所述的内层毛细钢管外套装有中部设有缝隙的两段外层毛细钢管；该两段外层毛细钢管相对远离的一端均探出内层毛细钢管，但短于光纤导线，所述的两段外层毛细钢管的适配位置分别设有弧形支座。

所述的探出内层毛细钢管部分设有高强环氧树脂。

所述的探出内层毛细钢管部分探出内层毛细钢管2~10mm。

所述的弧形支座与外层毛细钢管之间还设有U形基槽，该U形基槽的形状与外层毛细钢管的形状相适配。

所述的弧形支座的形状与钢绞线的形状相适配。

所述的缝隙为0.5~1.5 mm。

所述的内层毛细钢管的两端部均涂敷一层黄油隔离层。

本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明的耐腐蚀的光纤光栅应变传感器，由于采用双层毛细钢管封装有效提高了应变可测范围。在预应力钢绞线其中的一股钢丝上布设光纤光栅大量程应变传感器，并用钢套管保护好，防止外力破坏光纤光栅大量程应变传感器。这种光纤光栅大量程应变传感器可以实时监测预应力钢绞线的应变变化，为施工质量和安全以及后期预应力损失情况提供必要的参考数据。可在线实时监测预应力钢绞线张拉过程中应变变化情况，校核张拉设备的张拉应力值的准确性，保证施工安全和质量。可将光纤光栅大量程应变传感器完全与外界隔离开来，使钢套管内的工作设备不受外界干扰；同时又能保护构件和设备不受环境腐蚀的影响。这种钢套管尺寸小，相应的保护套管直径也足够小，不会过多地削弱预应力混凝土构件的截面尺寸，对结构影响基本可以忽略。本发明光纤光栅大量程应变传感器结构简单，易于加工制造，安装方便，性能稳定、可靠，最大限度的满足长期在线实时监测预应力钢绞线应变变化，实现后期对预应力钢绞线变化情况的在线实时监测。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明主视结构的剖视示意图；

图2是本发明图1的A-A剖视结构示意图；

图3是本发明一种实施方式的截面结构示意图；

图4是本发明的保护钢套管端部的截面示意图。

图中：光纤光栅1，光纤导线2，内层毛细钢管3，外层毛细钢管4，高强环氧树脂5，弧形支座6，U形基槽7，钢绞线8，环氧树脂粘贴层9，钢套管10，卡环11，波纹套管12。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围不受具体的实施例所限制，以权利要求书为准。另外，以不违背本发明技术方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。

实施例1

图1、2所示本发明的一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器，包括光纤光栅1，光纤导线2，内层毛细钢管3，外层毛细钢管4，高强环氧树脂5，弧形支座6。将所述光纤导线2的光纤光栅1置于内层毛细钢管3中部，该内层毛细钢管3外套装有中部设有缝隙为1 mm的两段外层毛细钢管4；该两段外层毛细钢管4相对远离的一端均探出内层毛细钢管3为5mm，但短于光纤导线2，外层毛细钢管4的端部的探出内层毛细钢管3部分设有高强环氧树脂5，内层毛细钢管3的两端部均涂敷一层黄油隔离层。上述的两段外层毛细钢管4的适配位置分别设有弧形支座6。弧形支座6的弧形与钢绞线的形状相适配。两段外层毛细钢管4上的弧形支座6与外层毛细钢管之间还设有高强环氧树脂的U形基槽7，该U形基槽7的形状与外层毛细钢管的形状相适配。

实施例2

本发明的一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器，其两段外层毛细钢管4相对远离的一端均探出内层毛细钢管3为2mm，所述的缝隙为0.5 mm其它同实施例1。

实施例3

本发明的一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器，其两段外层毛细钢管4相对远离的一端均探出内层毛细钢管3为10mm，所述的缝隙为1.5 mm。其它同实施例1。

实施例4

本发明的一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器，其两段外层毛细钢管4相对远离的一端均探出内层毛细钢管3为8mm，所述的缝隙为1.2 mm。其它同实施例1。

本发明的一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器具体使用时：

如图3所述将预应力钢绞线8的外层波纹套管12剥离掉一截，钢绞线8表面的缓粘结剂用汽油清洗干净，再用砂纸将钢绞线8表面的污渍打磨掉，最后用纯酒精将表面擦拭干净。再次，本发明光纤光栅大量程应变传感器弧形支座6内侧用环氧树脂粘贴层9粘贴在钢绞线表面上，然后将本发明光纤光栅大量程应变传感器用环氧树脂粘贴到弧形支座的两个U形基槽7内。粘贴好后放置在通风干燥处24小时，环氧树脂达到标准强度即可。在外层毛细钢管4的端部探出内层毛细钢管3部分用环氧树脂将其与光纤导线2粘结在一起，在内层毛细钢管端部涂敷一层黄油隔离层，防止高强环氧树脂与内层毛细钢管发生粘贴。内层毛细钢管3主要起连接两段外层毛细钢管4的作用，内外两层钢管之间的空隙很小，并能相对自由滑动。

如图3、4所示，本发明的一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器的保护措施：

1、预应力钢绞线与钢套管之间有固定的空隙，本发明的光纤光栅大量程应变传感器可以同钢绞线8一起发生位移和扭转而不会受到外力的干扰破坏。光纤光栅大量程应变传感器的光纤导线2可以从钢套管10的预留孔洞穿出。当本发明的光纤光栅大量程应变传感器和钢套管10安装完成后，钢套管10端部做好相应的防水措施，防止水泥砂浆进入钢套管10内部。

2、钢套管10端部的卡环11箍住波纹套管12并使钢绞线8处于钢套管10的轴心位置，钢套管10与卡环11之间采用螺纹丝扣连接。这种措施能保证在混凝土施工过程中以及在张拉钢绞线的过程中钢绞线与钢套管之间始终有一定的空隙。钢套管侧面预留出穿引光纤导线的孔洞。